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Die Erfindung betrifft eine Kraftstoffhochdruckpumpe zum Beaufschlagen eines Kraftstoffes in einem Kraftstoffeinspritzsystem mit Hochdruck.
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Kraftstoffhochdruckpumpen in Kraftstoffeinspritzsystemen werden dazu verwendet, einen Kraftstoff mit einem hohen Druck zu beaufschlagen, wobei der Druck beispielsweise bei Benzin-Brennkraftmaschinen in einem Bereich von 150 bar bis 400 bar und bei Diesel-Brennkraftmaschinen in einem Bereich von 1500 bar bis 3000 bar liegt. Je höher der Druck, der in dem jeweiligen Kraftstoff erzeugt werden kann, desto geringer sind Emissionen, die während der Verbrennung in einer Brennkammer entstehen, was insbesondere vor dem Hintergrund vorteilhaft ist, dass eine Verringerung von Emissionen immer stärker gewünscht wird.
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Solche Kraftstoffhochdruckpumpen sind gewöhnlich als Kolbenpumpen ausgeführt, wobei sich ein Pumpenkolben in einem Druckraum translatorisch bewegt, und durch diese Bewegung einen Kraftstoff, der in dem Druckraum angeordnet ist, verdichtet und somit mit Hochdruck beaufschlagt.
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Der Pumpenkolben bewegt sich dabei in einem Gehäuse, das dazu ausgebildet ist, noch weitere Bauteile, die für die Funktionsweise der Kraftstoffhochdruckpumpe notwendig sind, kompakt aufzunehmen. Diese Bauteile müssen größtenteils hochdruckdicht in dem Gehäuse untergebracht werden, so dass die Bauteile beispielsweise in dem Gehäuse in entsprechenden Bohrungen hochdruckdicht befestigt werden. Dies kann beispielsweise durch Verstemmen, Crimpen oder Schweißen erfolgen, aber auch durch Schrauben oder Pressen. Um eine solche Befestigung der einzelnen Bauteile in dem Gehäuse zu ermöglichen, ist es wichtig, dass das Gehäuse aus einem so weichen Grundmaterial aufgebaut ist, dass die oben genannten Fügeverfahren problemlos möglich sind.
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Gleichzeitig besteht jedoch die Problematik, dass gewisse Bereiche aufgrund einer hohen Beanspruchung im Betrieb der Kraftstoffhochdruckpumpe relativ hart ausgebildet sein müssen, um hinsichtlich der im Betrieb der Kraftstoffhochdruckpumpe wirkenden Kräfte verschleißfest zu sein.
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Dieser Kombination der unterschiedlichen Anforderungen an Gehäusebereiche wurde bislang mit zwei Ansätzen begegnet. Einerseits ist es bekannt, in den Bereichen, in denen eine große Härte bzw. Verschleißfestigkeit gewünscht ist, zusätzliche Buchsen in das ansonsten aus einem weichen Grundmaterial gebildete Gehäuse einzubringen, um die Verschleißfestigkeit im Betrieb zu ermöglichen. Als Beispiel hierfür sei eine Laufbuchse für den Pumpenkolben genannt, die in das Gehäuse eingepresst wird, und so eine verschleißfeste Lauffläche für den Pumpenkolben zur Verfügung stellt, die normalerweise von dem Gehäuse selbst nicht bereitgestellt werden kann, da es aus einem zu weichen Grundmaterial und somit nicht verschleißfest ausgebildet ist. Auch bei Ventilsitzen von in das Gehäuse einzubringenden Ventilen werden oft durchgehärtete Ventilsitzhülsen verwendet, die in das weiche Gehäuse eingepresst werden.
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Alternativ ist es auch bekannt, das komplette Grundmaterial des Gehäuses in einem Härtungsverfahren durch- oder einsatzzuhärten, und so beispielsweise eine verschleißfeste Lauffläche für den Pumpenkolben bzw. einen Ventilsitz direkt am Gehäuse bereitzustellen. Dies hat jedoch zur Folge, dass überall dort, wo zusätzliche Bauteile in das Gehäuse druckdicht eingebracht werden müssen, nun komplizierte Abdichtungs- und Fügeverfahren eingesetzt werden müssen, da das Gehäuse insgesamt so hart ist, dass einfaches Verstemmen bzw. Schweißen der Bauteile nicht mehr möglich ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine hinsichtlich der oben beschriebenen Randbedingungen verbesserte Kraftstoffhochdruckpumpe vorzuschlagen.
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Diese Aufgabe wird mit einer Kraftstoffhochdruckpumpe mit der Merkmalskombination des Anspruches 1 gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Eine Kraftstoffhochdruckpumpe zum Beaufschlagen eines Kraftstoffes in einem Kraftstoffeinspritzsystem mit Hochdruck weist ein Gehäuse mit einer Gehäusebohrung zum Aufnehmen einer Ventilanordnung und eine Ventilanordnung auf, die ein Ventilschließelement, das in einer Geschlossenposition auf einen Ventilsitz vorgespannt ist, umfasst. Der Ventilsitz ist einstückig ist mit dem Gehäuse aus dem Grundwerkstoff des Gehäuses in der Gehäusebohrung gebildet, wobei das Gehäuse aus einem ungehärteten Grundwerkstoff gebildet ist. Lediglich der Ventilsitz ist lokal gehärtet.
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Durch das lokale Härten des Ventilsitzes wird ein verschleißfreier Ventilsitz bei minimalem Bauteil-/Füge- und Kostenaufwand bereitgestellt. Denn es wird nicht, wie dies bisher üblich war, ein zusätzliches hochfestes Bauelement in die Gehäusebohrung des Gehäuses eingebracht, sondern der Ventilsitz selbst ist einstückig mit der Gehäusebohrung ausgebildet und nur lokal gehärtet. Die umgebenden Bereiche verbleiben aus dem ungehärteten Grundwerkstoff des Gehäuses. Damit kann das Risiko einer Druckunterwanderung eines extern eingefügten Ventilsitzes ausgeschlossen werden. Die umgebende Struktur des lokal gehärteten Ventilsitzes verbleibt weich, was günstige Fügeprozesse ermöglicht. Dabei können speziell Hochdruckabgänge, Zulaufanschlüsse, andere Ventilsitze oder Spulenbaugruppen in weiche Bereiche der Kraftstoffhochdruckpumpe des Gehäuses integriert werden, und auch externe Leckagepfade verschlossen werden.
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Das Gehäuse ist vorteilhaft in einem Bereich einer Bohrung zum Einbringen eines elektromagnetischen Schaltventiles bzw. einer Bohrung zum Einbringen eines Auslassventiles aus einem ungehärteten Grundwerkstoff gebildet. Auch vorteilhaft ist es, wenn das Gehäuse in dem Bereich, in dem ein Befestigungsflansch angebracht werden soll, ebenfalls aus dem ungehärteten Grundwerkstoff gebildet ist. Es ist auch bekannt, das Gehäuse im Bereich des Leckageraumes durch eine Dichtungsschale abzudichten, die an einer Gehäusewand einer Gehäusebohrung eingepresst wird, wobei es auch hier vorteilhaft ist, in diesem Bereich das Gehäuse aus dem ungehärteten Grundwerkstoff zu bilden.
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Der Ventilsitz ist vorteilhaft von einem Gehäusebohrungsendbereich, an dem die Gehäusebohrung in einer Umgebung des Gehäuses mündet, in einem Bereich von 1 mm bis 50 mm beabstandet angeordnet. Somit ist der Ventilsitz verhältnismäßig tief in dem Gehäuse versenkt angeordnet.
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Vorteilhaft weist die Gehäusebohrung eine Zuströmbohrung zum Zuführen von Kraftstoff zu dem Ventilsitz und eine Abströmbohrung zum Wegführen von Kraftstoff von dem Ventilsitz auf, wobei die Zuströmbohrung einen Durchmesser in einem Bereich von 1 mm bis 15 mm aufweist und/oder wobei die Abströmbohrung einen Durchmesser in einem Bereich von 1 mm bis 40 mm aufweist.
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Vorzugsweise ist der lokal gehärtete Ventilsitz ausgehend von einer Ventilsitzoberfläche bis in eine Tiefe in einem Bereich von 0,3 mm bis 2 mm gehärtet. Dabei liegt eine Härte des gehärteten Ventilsitzes vorzugsweise zwischen 400 HV10 und 800 HV10.
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Vorteilhaft wird der Ventilsitz nach einem Härteverfahren zum Erzeugen der lokal gehärteten Randschicht noch weiter bearbeitet, beispielsweise durch Honen. Deshalb ist es vorteilhaft, wenn der Ventilsitz bis in eine Tiefe von mindestens 0,3 mm durchgehärtet ist, um auch bei nachgeschalteten abtragenden Bearbeitungsschritten sicherzustellen, dass der Ventilsitz die notwendige Härte aufweist.
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In vorteilhafter Ausgestaltung ist der ungehärtete Grundwerkstoff des Gehäuses ein Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt von größer oder gleich 0,1 Gew.%, insbesondere ein Stahl 1.4057. Dieser Werkstoff ist besonders vorteilhaft, da er eine ausreichende Korrosionsbeständigkeit, Umformbarkeit und Schweißbarkeit sicherstellt. Bei dem vorteilhaft ungehärteten Grundwerkstoff handelt es sich vorzugsweise um Edelstahl, der korrosionsbeständig und härtbar ist.
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Bei einem beispielhaften Verfahren zur Herstellung einer oben beschriebenen Kraftstoffhochdruckpumpe können die folgenden Schritte durchgeführt werden:
- – Bereitstellen eines Gehäuses aus einem ungehärteten Grundwerkstoff, das wenigstens eine Gehäusebohrung aufweist, in der ein Ventilsitz einstückig gebildet ist, wobei die Gehäusebohrung eine Zuströmbohrung zum Zuführen von Kraftstoff zu dem Ventilsitz und eine Abströmbohrung zum Wegführen von Kraftstoff von dem Ventilsitz ausbildet;
- – Bereitstellen einer Sonde, die an einer Sondenspitze einen Induktor und eine Kühlwasserbrause aufweist;
- – Einführen der Sonde in den Gehäusebohrung, sodass der Induktor und die Kühlwasserbrause im Bereich der Zuströmbohrung angeordnet sind;
- – Aktivieren des Induktors und der Kühlwasserbrause;
- – Führen der Sonde von dem Bereich der Zuströmbohrung zu dem Bereich der Abströmbohrung mit einer Vorschubgeschwindigkeit, dass an dem Ventilsitz eine Temperatur in einem Bereich zwischen 900 °C und 1200 °C erzeugt wird.
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Vorzugsweise führt die Kühlwasserbrause der Gehäusebohrung Kühlwasser derart zu, dass der Grundwerkstoff des Ventilsitzes abgeschreckt wird, sodass er in einer Tiefe in einem Bereich von 0,3 mm bis 2 mm gehärtet ist.
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Vorteilhaft wird mit dem Verfahren eine Härte des Ventilsitzes zwischen 400 HV10 und 800 HV10 erzeugt.
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In vorteilhafter Ausgestaltung werden der Induktor und die Kühlwasserbrause bei Erreichen der Abströmbohrung ausgeschaltet.
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So kann vorteilhaft gewährleistet werden, dass lediglich der Bereich des Ventilsitzes gehärtet ist, während der umgebende Grundwerkstoff weich verbleibt.
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Statt der Sonde kann auch ein Röhrchen mit einem Laser darin verwendet werden, das in die Gehäusebohrung eingeführt wird. Der Laser bringt gleichmäßig Energie in die Gehäusebohrung ein. Ein Abschrecken der Gehäusebohrung ist daher nicht zwingend nötig.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt:
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1 eine schematische Schnittdarstellung einer Kraftstoffhochdruckpumpe;
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2 eine schematische Schnittdarstellung einer Kraftstoffhochdruckpumpe gemäß 1, bei der ein Führungsabschnitt für einen Pumpenkolben in einer Randschicht lokal gehärtet ist;
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3 eine perspektivische Darstellung der Kraftstoffhochdruckpumpe aus 2;
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4 eine schematische Schnittdarstellung einer Kraftstoffhochdruckpumpe gemäß 1, bei der ein Führungsabschnitt für einen Pumpenkolben an Führungsendbereichen in einer Randschicht lokal gehärtet ist;
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5 eine perspektivische Darstellung der Kraftstoffhochdruckpumpe aus 4;
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6 eine schematische Schnittdarstellung einer Kraftstoffhochdruckpumpe, die Gehäusebohrungen in einem Gehäuse aufweist, in denen Ventilanordnungen aufgenommen werden sollen;
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7 eine schematische Darstellung einer Gehäusebohrung aus 6, die einen Ventilsitz bildet; und
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8 eine schematische Darstellung der Gehäusebohrung mit Ventilsitz aus 7, wobei eine Sonde zum Bearbeiten des Ventilsitzes in die Gehäusebohrung eingeführt ist.
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1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer Kraftstoffhochdruckpumpe 10, mit der ein Kraftstoff, insbesondere Benzin, mit Hochdruck beaufschlagt wird. Die Kraftstoffhochdruckpumpe 10 weist ein Gehäuse 12 auf, das aus einem ungehärteten Grundwerkstoff 14, insbesondere Stahl, ausgebildet ist. Der Grundwerkstoff 14 ist dabei besonders vorzugsweise ein Edelstahl mit einem Kohlenstoffgehalt größer oder gleich 0,1 Gew.%, beispielsweise könnte Edelstahl 1.4057 verwendet werden. Dieses Material weist eine ausreichende Korrosionsbeständigkeit, Umformbarkeit und Schweißbarkeit auf, sodass das Gehäuse 12 einfach mit weiteren Bauteilen, die die Funktionalität der Kraftstoffhochdruckpumpe 10 ausmachen, ausgestattet werden kann.
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Das Gehäuse 12 weist eine Gehäusebohrung 16 auf, die an einem ersten Endbereich 18 einen Druckraum 20 und an einem zweiten Endbereich 22 einen Leckageraum 24 bildet. Zwischen dem Druckraum 20 und dem Leckageraum 24 bildet die Gehäusebohrung 16 einen Führungsabschnitt 26, in dem ein Pumpenkolben 28 angeordnet ist. Der Pumpenkolben 28 bewegt sich im Betrieb der Kraftstoffhochdruckpumpe 10 zwischen dem Leckageraum 24 und dem Druckraum 20 translatorisch auf und ab, um so einen in dem Druckraum 20 befindlichen Kraftstoff verdichten zu können. Der Pumpenkolben 28 ist in dem Führungsabschnitt 16 mit einem geringfügigen Spiel angeordnet, entlang dessen Kraftstoff aus dem Druckraum 20 als Leckagekraftstoff in den Leckageraum 24 entlang des Pumpenkolbens 28 fließt. Um zu verhindern, dass dieser Leckagekraftstoff in einen Antriebsbereich des Pumpenkolbens 28 fließt und sich dort unerwünschterweise mit einem Motoröl vermischt, ist der Leckageraum 24 mit einer Dichtungsschale 30 verschlossen, die an einer Gehäusewand 22 der Gehäusebohrung 16 verpresst gehalten ist.
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Das Gehäuse 12 weist weitere Funktionsbohrungen 34 auf, die zum Aufnehmen von weiteren Bauteilen der Kraftstoffhochdruckpumpe 10 dienen. Beispielsweise können in diesen Funktionsbohrungen 34 Ventilanordnungen 36 (vgl. 8) aufgenommen werden.
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Diese zusätzlichen Bauteile, die in die Kraftstoffhochdruckpumpe 10 eingebracht werden sollen, müssen gewöhnlich so mit dem Gehäuse 12 verbunden werden, dass die Bauteile abgedichtet sind. Dies gilt beispielsweise für vorzusehende Auslass-/ oder Einlassventile und auch für Hochdruckabgänge. Die kostengünstige Variante zum hochdruckdichten Einfügen dieser Bauteile in das Gehäuse 12 ist dabei ein Verstemmen bzw. Vercrimpen oder Schweißen, während Fügeverfahren wie Schrauben oder Pressen eher teurer sind. Um jedoch beispielsweise ein Verstemmen oder Schweißen zu ermöglichen, sollte der Grundwerkstoff 14 des Gehäuses 12 zumindest in den Bereichen, in denen Bauteile hochdruckdicht befestigt werden müssen, eher weich sein. Ansonsten müssten diese Bauteile durch Verschraubung oder Verpressung in das Gehäuse 12 eingebracht werden.
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Andererseits ist es gewünscht, dass Bereiche des Gehäuses 12, die über die Lebensdauer der Kraftstoffhochdruckpumpe 10 im Betrieb besonders beansprucht sind, aus einem verschleißfesten Material gebildet sind. Dies gilt beispielsweise für den Führungsabschnitt 26, an dem der Pumpenkolben 28 beständig entlang reibt.
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Der Pumpenkolben 28 der Kraftstoffhochdruckpumpe 10 verdichtet in dem Druckraum 20 nämlich den Kraftstoff auf einen Hochdruck. Um dies zu ermöglichen, sind das Einhalten eines sehr kleinen Spieles und eine verschleißfeste Führung mit einer geringen Fressneigung von Nöten.
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Um insbesondere dieser Randbedingung einer verschleißfesten Führung für den Pumpenkolben 28 zu begegnen, gibt es bislang zwei Konzepte. In einem ersten Konzept wird dabei eine gehärtete Laufbuchse in ein Gehäuse 12 aus einem weichen Grundwerkstoff 14 eingebracht und anschließend noch fein bearbeitet, um das geringe Spiel und eine tribologisch optimale Führungsfläche zu erhalten. Dies kann beispielsweise durch einen Honprozess realisiert werden. Das Einbringen einer gehärteten Laufbuchse ist jedoch sehr aufwendig und teuer, da man hochgenaue Fügeflächen benötigt. Darüber hinaus muss die Laufbuchse zum Hochdruck, das heißt zum Druckraum 20 hin, abdichten und fixiert sein, was in den meisten Fällen durch ein Verstemmen realisiert ist. Bei dem Einpressen und Verstemmen werden große Kräfte in das Gehäuse 12 eingeleitet, welche zu einer geometrischen Verformung des Gehäuses 12 führen. Um in einem späteren Nacharbeitsprozess, beispielsweise durch Honen, das geringe Spiel von wenigen Mikrometern herzustellen, muss daher sehr viel Material abgetragen werden, um die Verzüge zu kompensieren. Dies hat lange Bearbeitungszeiten und damit hohe Kosten zur Folge.
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Ein alternativer Ansatz besteht darin, das komplette Gehäuse 12, welches den Führungsabschnitt 26 beinhaltet, entweder durch- oder einsatzzuhärten, und danach fein zu bearbeiten. Im Gegensatz zu dem ersten Ansatz entfallen bei dieser Variante die zusätzliche Laufbuchse, das Abdichten zum Druckraum 20 und die großen Fügekräfte, da die Laufbuchse nicht mehr eingestemmt werden muss. Dadurch ist die zweite Variante kostengünstiger, sicherer und weniger aufwendig. Als Nachteil ist jedoch das Durchhärten des gesamten Gehäuses 12 zu sehen, da das gesamte Gehäuse 12 an den Oberflächen eine definierte Einhärtetiefe aufweist. Dies hat zur Folge, dass überall dort, wo Bauteile abgedichtet werden müssen, eine Verschraubung oder Verpressung als Fügeverfahren gewählt werden muss, da Verstemmen oder Schweißen durch die Gefügeumwandlung an den Fügeflächen des Gehäuses 12 nicht mehr möglich ist.
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Daher wird nun vorgeschlagen, den Führungsabschnitt 26, der die Kolbenlauffläche für den Pumpenkolben 28 bildet, verschleißfest direkt in das Gehäuse 12 ohne zusätzliche Bauteile wie beispielsweise eine zusätzliche Laufbuchse, einzubringen, wobei jedoch nur eine Randschicht 38 des Gehäuses 12 lokal gehärtet ist, d. h. nur der Bereich, in dem der Pumpenkolben 18 läuft, während die umgebenden Bereiche weich verbleiben. Abzudichtende Bauteile wie beispielsweise Einlass-/Auslassventile und Hochdruckabgänge können dann mit dem weichen Gehäuse 12 kostengünstig verpresst oder verstemmt bzw. stoffschlüssig eingeschweißt werden.
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2 zeigt dabei eine Schnittdarstellung einer ersten Ausführungsform einer derart erzeugten Kraftstoffhochdruckpumpe 10, bei der der Führungsabschnitt 26 über eine gesamte Führungslänge 40 lediglich in einer Randschicht 38 lokal gehärtet ist.
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Das lokale Härten von Zylinderlaufbuchsen mit großen Durchmessern bei Verbrennungsmotoren ist bereits bekannt. Im Gegensatz dazu ist jedoch die Gehäusebohrung 16, insbesondere der Führungsabschnitt 26, in einer Kraftstoffhochdruckpumpe 10 um ein Vielfaches kleiner. In der vorliegenden Ausführungsform weist nämlich der Führungsabschnitt 26 einen Durchmesser DF in einem Bereich von lediglich 6 mm bis 11 mm auf. Das lokale Härten in einer so kleinen Gehäusebohrung 16 ist deutlich aufwändiger und mit den üblichen Härtevorrichtungen im Bereich von Kraftstoffhochdruckpumpen nur schwer durchführbar.
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Insbesondere liegt die Führungslänge 40 in einem Bereich zwischen 12 mm und 35 mm, beispielsweise bei 24 mm. Daher kann der Führungsabschnitt 26 im Inneren nur sehr schwer mit den aus dem Bereich von Kraftstoffhochdruckpumpen bekannten Verfahren in der Randschicht 38 gehärtet werden.
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Die Randschicht 38 des Führungsabschnittes 26 in 2 ist daher beispielsweise mit einer Kombination aus Induktionsheizen und sofortigem Abschrecken mit einer speziell ausgebildeten Sonde 42, die später beschrieben wird, gehärtet.
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Alternativ kann jedoch auch beispielsweise ein ausreichend kleiner bzw. dünner Laseraufbau verwendet werden.
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3 zeigt eine perspektivische Darstellung der Kraftstoffhochdruckpumpe 10 entsprechend 2, wobei der Führungsabschnitt 26 entlang der gesamten Führungslänge 40 in der Randschicht 38 gehärtet ist.
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4 zeigt eine alternative Ausführungsform der Kraftstoffhochdruckpumpe 10, bei der der Führungsabschnitt 26 nur an einem ersten Führungsendbereich 44 und an einem zweiten Führungsendbereich 46 lokal in der Randschicht 38 gehärtet ist.
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5 zeigt eine entsprechende perspektivische Ansicht der Kraftstoffhochdruckpumpe 10 aus 4 mit dem in den Führungsendbereichen 44, 46 gehärteten Führungsabschnitt 26. Hier ist das Gehäuse 12, das heißt der Führungsabschnitt 26, nur in den Bereichen mit der höchsten Belastung lokal gehärtet, während der Rest des Führungsabschnittes 26 weich verbleibt. Weist beispielsweise der Führungsabschnitt 26 eine Führungslänge 40 von insgesamt 24 mm auf, ist es vorteilhaft, wenn der erste Führungsendbereich 44 über 6 mm und auch der zweite Führungsendbereich 46 über 6 mm gehärtet ist, sodass etwa 1/3 der Führungslänge 40 des Führungsabschnittes 26 weich verbleibt. In beiden Ausführungsformen, die in den 2 bis 5 gezeigt sind, ist die Randschicht 38 ausgehend von einer Führungsoberfläche 48 des Führungsabschnittes 26 in einer Tiefe 50 gehärtet, die in einem Bereich von 0,1 mm bis 2 mm liegt. Die Härte dieser Randschicht 38 liegt dabei zwischen 300 HV10 und 700 HV10.
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In der Kraftstoffhochdruckpumpe 10 gibt es noch weitere Bereiche, die vorteilhaft eine größere Härte aufweisen als der Grundwerkstoff 14 des umgebenden Gehäuses 12. Dies ist anschaulich in einer Schnittdarstellung der Kraftstoffhochdruckpumpe 10 in 6 dargestellt. Hier sind Bereiche, in denen in der Kraftstoffhochdruckpumpe 10 ein Ein- bzw. Auslassventil für einen Ladungswechsel vorgesehen sein sollen, durch Kästchen markiert. Diese genannten Ventilanordnungen 36 bestehen meist aus einem Ventilschließelement 52 und einem Ventilsitz 54, wobei das Ventilschließelement 52 in einer Geschlossenposition der Ventilanordnung 36 auf den Ventilsitz 54 vorgespannt ist. Da diese Ventilanordnungen 36 sehr hochfrequent öffnen und schließen, müssen sowohl das Ventilschließelement 52 als auch der Ventilsitz 54 hochfest ausgeführt sein.
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Umgesetzt wird dies bei Ventilsitzen 54 heutzutage ebenfalls in zwei Konzepten, wobei bei einem ersten Konzept das Gehäuse 12 der Kraftstoffhochdruckpumpe 10 weich ausgeführt ist, und der Ventilsitz 54 ein separates Bauteil mit einer hohen Festigkeit ist, welches dann über einen Pressverband oder mit einer Beißkante zum Gehäuse 12 dichtend und über Schweiß-/Schraub-/ oder Stemmprozesse im Gehäuse 12 dauerhaft fixiert wird.
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Das Einbringen von gehärteten Ventilsitzen 54 ist jedoch sehr aufwendig und teuer, da man hochgenaue Fügeflächen benötigt. Darüber hinaus muss der Ventilsitz 54 zum Hochdruck hin abdichtend fixiert sein, was in den meisten Fällen durch einen Pressverband und/oder Verstemmen realisiert ist. Bei dem Einpressen und Verstemmen werden jedoch große Kräfte in das Gehäuse 12 eingeleitet, welche zu einer geometrischen Verformung des Gehäuses 12 führen, und welche dann Undichtigkeiten in der Ventilanordnung 36 oder negative Einflüsse auf umgebende Bauteile zur Folge hat.
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Alternativ ist es dagegen bekannt, dass komplette Gehäuse 12 der Kraftstoffhochdruckpumpe 10 einsatz- oder durchzuhärten, wobei der Ventilsitz 54 zuvor durch ein Bearbeitungsverfahren in das Gehäuse 12 integriert worden ist. Im Gegensatz zu der ersten Variante entfallen bei dieser Variante der Ventilsitz 54 als zusätzliches Bauteil, das Abdichten zum Hochdruck und die großen Fügekräfte, da der Ventilsitz 54 nicht mehr eingepresst und verstemmt werden muss. Dadurch ist diese Variante kostengünstiger, sicherer und weniger aufwendig. Sie hat jedoch den Nachteil, dass beim Durchhärten des gesamten Gehäuses 12 an den Oberflächen eine definierte Einhärtetiefe entsteht. Der Härteprozess hat durch die Gefügeumwandlung zur Folge, dass günstige Fügeverfahren wie zum Beispiel Pressen und Verstemmen durch alternative kostspieligere Verfahren wie zum Beispiels Schrauben ersetzt werden müssen. Betroffene Positionen in einer Kraftstoffhochdruckpumpe 10 wären dann Hochdruckabgänge, Zulaufanschlüsse, andere Ventilsitze, Spulenbaugruppen und externe Leckagepfade, die zu verschließen sind.
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Daher wird nun, analog zu dem lokalen Härten des Führungsabschnittes 26 für den Pumpenkolben 28, ein verschleißfester Ventilsitz 54 in das Gehäuse 12 ohne zusätzliche Bauteile eingebracht. Dabei wird nur der Bereich, an dem der Ventilsitz 54 sich befindet, lokal gehärtet, während die umgebenden Bereiche weich verbleiben. Abzudichtende Komponenten wie Hochdruckabgänge und Zulaufanschlüsse oder sonstige Schnittstellen nach extern können, da das Gehäuse 12 ansonsten weich verbleibt, kostengünstig eingepresst und verstemmt bzw. stoffschlüssig eingeschweißt werden.
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7 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer Gehäusebohrung 16 in dem Gehäuse 12 aus 6, in der eine Ventilanordnung 36 aufgenommen werden soll. Dabei ist der Ventilsitz 54 der Ventilanordnung 36 einstückig mit dem Gehäuse 12 aus dem Grundwerkstoff 14 des Gehäuses 12 in der Gehäusebohrung 16 gebildet. Das Gehäuse 12 ist insgesamt aus einem ungehärteten Grundwerkstoff 14 gebildet. Der Ventilsitz 54 ist dagegen lokal gehärtet, und zwar so, dass er von einer Ventilsitzoberfläche 56 bis in einer Tiefe 50, die in einem Bereich von 0,3 mm bis 2 mm liegt, gehärtet ist. Die Härte des Ventilsitzes 54 bewegt sich dabei in einem Bereich zwischen 400 HV10 und 800 HV10.
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Wie bereits erwähnt, ist das lokale Härten von Zylinderlaufbuchsen bei Verbrennungsmotoren grundsätzlich bekannt. Im Gegensatz zu normalen Zylinderlaufbuchsen ist jedoch ein Ventilsitz 54 in einer Kraftstoffhochdruckpumpe 10 um ein Vielfaches kleiner und sitzt dazu meist auch noch recht tief im Gehäuse 12 versenkt. Dies gilt für alle Ventilsitze 54 mit kugelförmiger, kegelförmiger oder flacher Sitzgeometrie in Kombination mit kugelförmigen, kegelförmigen oder flach ausgeführten Ventilschließelementen 52.
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Wie 7 zu entnehmen ist, ist der Ventilsitz 54 begrenzt von einer Zuströmbohrung 58 und einer Abströmbohrung 60. Beide Bohrungen 58, 60 sind ebenfalls integral von der Gehäusebohrung 16 gebildet. Die Zuströmbohrung 58 weist dabei einen Durchmesser DZ in einem Bereich von 1 mm bis 15 mm auf, während die Abströmbohrung 60 einen Durchmesser DA in einem Bereich von 1 mm bis 40 mm aufweist. Der Ventilsitz 54 liegt, wie aus 7 zu entnehmen ist, relativ tief im Gehäuse 12 und ist von einem Gehäusebohrungsendbereich 62, an dem die Gehäusebohrung 16 in eine Umgebung des Gehäuses 12 mündet, in einem Bereich von 1 mm bis 15 mm beabstandet angeordnet.
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Um sowohl bei dem Führungsabschnitt 26, der einen geringen Durchmesser DF aufweist, als auch bei dem Ventilsitz 54, der benachbart zu Bohrungen, 58, 60 mit einem geringen Durchmesser DZ, DA angeordnet ist, das lokale Härten überhaupt durchführen zu können, wird eine spezielle Sonde 42 verwendet, die mit Bezug auf 8 in einer Schnittdarstellung gezeigt ist.
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Die spezielle Sonde 42 ist so ausgebildet, dass sie an einer Sondenspitze 64 sowohl einen Induktor 66 als auch eine Kühlwasserbrause 68 aufweist. Diese beiden Elemente der Sonde 52 sind extrem nah zueinander angeordnet, sodass ein Erhitzen und gleichzeitiges Abschrecken durch die Sonde 52 in Bohrungen mit extrem geringem Durchmesser ermöglicht ist.
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Die Sonde 42 mit der Kühlwasserbrause 68 und dem Induktor 66 an der Sondenspitze 64 wird mit einer entsprechenden Gehäusebearbeitungsmaschine in eine entsprechend Bohrung eingeführt. Beispielsweise wird diese Sonde 42 bei dem Härteverfahren für den Führungsabschnitt 26 in den Führungsabschnitt 26 eingeführt, während sie beim Härten des Ventilsitzes 54 in die Gehäusebohrung 60 eingeführt wird, die den Ventilsitz 54 bildet. Dann wird Wechselstrom an den Induktor 66 angelegt und Kühlwasser zu der Kühlwasserbrause 68 zugeführt. Durch den Induktor 66 wird in der Randschicht 38 sowohl des Führungsabschnittes 26 als auch des Ventilsitzes 54 eine lokale Temperatur in einem Bereich zwischen 900 °C und 1200 °C erzeugt. Die Sonde 42 fährt dann mit einer vorbestimmten Vorschubgeschwindigkeit durch die jeweilige Gehäusebohrung 16, wobei die Kühlwasserbohrung 68 das umliegende Gefüge sofort abgeschreckt und somit die jeweilige Randschicht 38 lokal in einer Tiefe von 0,3 mm bis 2 mm gehärtet verbleibt. Durch die Restwärme in der umliegenden Gehäusestruktur des Gehäuses 12 wird die Randschicht gleichzeitig angelassen. Dadurch entsteht eine Härte von 400 HV10 bis 800 HV10. Anschließend kann dann die Gehäusebearbeitungsmaschine, die die Sonde 42 aufweist, mit der Fertigstellung des Gehäuses 12 fortfahren. Das genannte Verfahren kann bei einer spanenden Bearbeitung in derselben Gehäusebearbeitungsmaschine nachgeschaltet werden.
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Der Führungsabschnitt 26 kann entweder entlang seiner gesamten Führungslänge 40 mit dem beschriebenen Verfahren gehärtet werden. Dabei wird die Sonde 42 von dem ersten Führungsendbereich 44 bis zu dem zweiten Führungsendbereich 46 mit der vordefinierten Vorschubgeschwindigkeit geführt, und ist permanent angeschaltet. Es ist jedoch auch möglich, nur den ersten Führungsendbereich 44 und den zweiten Führungsendbereich 46 zu härten, und den Bereich dazwischen ungehärtet zu belassen (vgl. 4). Dazu kann die Sonde 42 zwischen den beiden Endbereichen 44, 46 dann für eine vorbestimmte Zeitdauer, die entsprechend der vordefinierten Vorschubgeschwindigkeit einer vorbestimmten Führungslänge 40 entspricht, ausgeschaltet werden.
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Analog wird die Sonde 42 zum Härten lediglich des Ventilsitzes 54 auch nur dann angeschaltet sein, wenn sich der Induktor 66 im Bereich des Ventilsitzes 54 befindet. Sobald die Sonde 42, insbesondere der Induktor 66, die Abströmbohrung 60 erreicht hat, wird die Sonde 42 ausgeschaltet.
